基于虛擬儀器技術(shù)的儲能式移動充電樁檢測平臺研究

劉志凱，吳芳芳，鄭文悅，袁 軍，李 梁

（1.浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州 310015；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電動汽車服務(wù)分公司，杭州 310012）

0 引言

隨著我國新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展[1-7]，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已成為影響我國新能源汽車推廣的關(guān)鍵性因素之一[8-10]，國家采取樁站適度先行的建設(shè)戰(zhàn)略。國家發(fā)改委《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015—2020年）》顯示，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的目標(biāo)是“到2020年，建成集中充換電站1.2萬座，分散充電樁480萬個”。截至目前，浙江省電力有限公司（以下簡稱“浙江電力公司”）已投運交流樁2 665個，非車載充電機(jī)3 941個。

由于充電樁的大規(guī)模投運，樁體的日常運行維護(hù)等將成為重要的管理內(nèi)容[11-15]。然而現(xiàn)場充電樁檢測受到惡劣天氣、檢測設(shè)備無法正常取電、充電站位置偏僻等多種因素的制約，這使得現(xiàn)場檢測效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實驗室檢測效率。因此開發(fā)一種具有獨立電源、能適應(yīng)不同地形檢測、較高自動化水平的儲能式移動充電樁檢測平臺是十分必要的。

1 充電樁現(xiàn)場檢測平臺

目前，現(xiàn)場檢測平臺主要有2種類型：一種是便攜式檢測裝置，該種裝置小型化，便于攜帶，但測試項目偏少，如北京群菱公司研制的AEVT-7510S型便攜式直流充電樁測試設(shè)備僅滿足車樁正常通信測試；另一種類型是移動檢測車，這類檢測平臺可滿足測試標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測的項目可達(dá)到實驗室平臺檢測項目的92%。當(dāng)前投入使用的移動檢測車多采用集裝箱式的方式將實驗室的檢測系統(tǒng)搬到車廂上，這種布局設(shè)計造成整車體積龐大，僅能滿足地上充電站的檢測，無法滿足地下充電站的檢測。而且，雖然檢測車自帶儲能電源，但該電源僅能用市電充電，不能充分利用現(xiàn)場充電樁進(jìn)行充電。

為了保證浙江電力公司下轄的充電站能夠進(jìn)行更加全面的檢測，負(fù)責(zé)浙江電力公司下轄充電站檢測的浙江華電器材檢測研究所有限公司開發(fā)了基于美國NI（國家儀器）公司虛擬儀器技術(shù)的儲能式移動充電樁檢測平臺，該檢測車可滿足地上、地下充電站60 kW的非車載充電機(jī)及單相32 A和三相63 A交流樁檢測，同時檢測車自帶儲能電池，現(xiàn)場充電樁可以滿足電池充電需求。

1.1 檢測平臺的布局設(shè)計

平臺分為駕乘區(qū)與試驗設(shè)備區(qū)，中間設(shè)置隔斷。駕駛側(cè)后部為一組19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，車輛后開門內(nèi)安裝負(fù)載電阻，其下面安放蓄電池，上部有不銹鋼隔熱層，工作時高溫氣體向車輛后部排出，如圖1所示。

圖1 車輛內(nèi)部布置

整車的重心位置為：X=1 571 mm，Y=-7 mm，Z=756 mm， 前橋載荷 N1=1 553 kg＜1 760 kg（額定軸荷），后橋載荷 N2=1 597 kg＜2 040 kg（額定軸荷），左右配重符合差比：0.46%＜3%。

根據(jù)重心計算公式，得出前后軸都小于車輛的額定軸荷，左右配重差0.46%，符合小于3%的要求。

外接測試接口如圖2所示，包括2個部分，為電源接口部分和測試接口部分。電源接口包括輸入電源（交流充電樁接口、220 V航插）和輸出電源，試驗過程中輸出電源接口。測試接口包括交直流充電樁試品接入接口，外置負(fù)載接口及通信接口、備用測試接口等。

圖2 外接測試接口

1.2 基于NI虛擬儀器技術(shù)的電參量分析

目前，傳統(tǒng)的充電樁檢測主要通過示波器、錄波儀采集數(shù)據(jù)和錄波；數(shù)據(jù)采集錄波只使用示波器和錄波儀一小部分功能，且開發(fā)自動處理符合測試標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測圖片需要設(shè)備廠商開放相應(yīng)協(xié)議；當(dāng)前應(yīng)用示波器及錄波儀的檢測系統(tǒng)，圖片處理仍需手動完成。

基于NI虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的測試儀器集成示波器和錄波儀功能，可以根據(jù)檢測需求開發(fā)出滿足檢測標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)、圖片自動處理功能。其采集模塊由數(shù)據(jù)采集卡和傳感器組成。目前，交流充電樁的電壓一般為220 V，直流電壓最高為750 V，不能直接將此高電壓信號接入示波器采集卡，應(yīng)采用合適變比的電壓互感器將充電樁的電壓變換到符合采集卡的電壓輸入范圍內(nèi)。在軟件系統(tǒng)中將采集到的數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的變比，即為實際電壓。

基于NI虛擬儀器技術(shù)測試儀器的Lab View分析軟件具有信號采集、波形記錄、數(shù)字濾波、暫態(tài)故障判斷、參數(shù)計算和通信功能。其中，參數(shù)計算模塊包括頻率偏差計算、電壓電流有效值計算、電壓電流偏差計算以及電壓波動計算。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于故障錄波系統(tǒng)對波形的采樣精度要求較高，本系統(tǒng)設(shè)計最高可采集50次諧波。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率不小于被測信號中所含最高頻率的2倍，因此數(shù)據(jù)采樣的頻率至少達(dá)到5 kHz。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，本系統(tǒng)設(shè)采樣頻率為10 kHz。

圖3 基于LabVIEW的軟件結(jié)構(gòu)

對于數(shù)字濾波模塊，卡爾曼濾波是一種經(jīng)典的數(shù)字濾波方法，將暫態(tài)信號中的基頻分量看成有效成分，而將暫態(tài)信號中的高、低次諧波和衰減直流分量都看作是噪聲，然后根據(jù)某一系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程，用估值算法對某個時刻的狀態(tài)進(jìn)行估計。濾波模型如下：

式中：Ts=1/Nfs為采樣時間，N為采樣率；vk為測量噪聲分量。

卡爾曼濾波濾除基頻信號以外的高、低次諧波和衰減直流分量，并將濾波以后的信號送入故障判斷模塊處理。濾波后的數(shù)據(jù)送入故障判斷模塊，故障發(fā)生時，故障判斷模塊迅速準(zhǔn)確發(fā)出判斷信號，觸發(fā)故障記錄模塊。程序流程見圖4。

計算模塊對系統(tǒng)頻率，電壓、電流有效值，電壓、電流偏移值，電壓波動值，電壓、電流的各次諧波分量等參量進(jìn)行計算。

圖4 故障判斷程序框圖

（1）電壓有效值及電壓偏差的測量。電壓有效值是電力系統(tǒng)的重要指標(biāo)，也是計算電壓偏差所必須的，按照電路理論中定義，用離散求和的方法代替積分運算，電壓有效值Urms計算公式為：

式中：n為每個工頻周期的采樣數(shù)；uk為每個工頻周期的第k個采樣點的電壓幅度（k為整數(shù)，0≤k≤n-1）。

求出電網(wǎng)各相電壓有效值以后，再由以下公式求出電壓偏差：

式中：Un為電壓額定值。

（2）頻率偏差的測量。頻率偏差測量可以采用測量正弦穩(wěn)態(tài)交流單相電壓信號的周期來實現(xiàn)。在信號經(jīng)過低通濾波器濾除噪聲后，通過檢測信號波形的過零點，即可測算出信號波形的周期。假設(shè)監(jiān)測信號相鄰零點時刻分別為t1和t2，則周期T=t1-t2，在實際采樣時，只需要通過計算此相鄰兩點間的采樣點數(shù)n，根據(jù)采樣點數(shù)由T=n/fs，即可求得頻率，其中fs為采樣頻率。

（3）諧波含量的測量。電動汽車充電站內(nèi)有大量充電樁，充電樁作為非線性設(shè)備，會對電網(wǎng)造成諧波影響，因此應(yīng)重點監(jiān)測電動汽車充電站的各次諧波分量、諧波總畸變率及各次諧波含有率。本系統(tǒng)利用LabVIEW軟件提供的各種諧波分析軟件包，包括FFT（快速傅氏變換）函數(shù)和各種窗函數(shù)，構(gòu)建諧波分析模塊。

（4）電壓波動的測量。電壓波動為一段時間內(nèi)電壓的變動或連續(xù)的電壓偏差。電壓波動值d的計算公式為：

式中：Umax，Umin分別為電壓均方根的2個極值；Un為額定電壓。

1.3 儲能式電源技術(shù)的研究

為了避免檢測現(xiàn)場可能無電源取電點，采用蓄電池儲能技術(shù)，通過雙向充放電機(jī)給整個車載測試系統(tǒng)充電。測試設(shè)備有2種供電方式：一種是車內(nèi)配置蓄電池供電，通過逆變成交流220 V電源供應(yīng)車內(nèi)設(shè)備使用；一種為外接單相交流充電樁或直接220 V市電供電。

車載蓄電池系統(tǒng)有3種充電方式：220 V市電充電、交流充電樁充電和非車載充電機(jī)充電。充電機(jī)給蓄電池充電時，蓄電池通過BMS（電池管理系統(tǒng)）向非車載充電機(jī)發(fā)出充電需求指令，充電機(jī)根據(jù)充電需求指令輸出充電電壓和充電電流。儲能系統(tǒng)的設(shè)計原理、蓄電池使用非車載充電機(jī)充電邏輯流程及控制導(dǎo)引見圖5—7。

圖5 儲能式系統(tǒng)設(shè)計原理

蓄電池直流樁充電控制導(dǎo)引系統(tǒng)包括非車載充電機(jī)控制器、電阻R1—R5、開關(guān)S、直流供電回路接觸器K1和K2、低壓輔助供電回路（電壓為12 V+/-5%，電流為10 A）接觸器K3和K4、充電回路接觸器K5和K6以及車輛控制器，其中車輛控制裝置可以集成在電池管理系統(tǒng)中。

1.4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

測試軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能有：信息錄入、試品管理、交直流充電樁檢測、自動生成報告、歷史數(shù)據(jù)查看等，如圖8所示。計算機(jī)通過以太網(wǎng)與直流充電模擬器、交流充電模擬器和虛擬測試儀器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，交直流模擬器通過485總線控制交直流負(fù)載，無線電能直流記錄儀測試充電機(jī)的交流輸入諧波電流，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。檢測車現(xiàn)場檢測如圖10所示。

圖6 蓄電池使用非車載充電機(jī)充電流程

2 現(xiàn)場測試與試驗室測試比對

圖7 蓄電池使用非車載充電機(jī)充電控制導(dǎo)引

圖8 電動汽車測試軟件系統(tǒng)功能

圖9 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

為檢驗移動檢測車的測試性能，選用同一臺規(guī)格為500 V/120 A的非車載充電機(jī)，分別應(yīng)用具有測試資質(zhì)的充電樁實驗室測試平臺和移動檢測車進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果進(jìn)行比對。充電樁實驗室測試平臺選用浙江華電器材檢測研究所有限公司充電樁檢測實驗室，該實驗室可開展240 kW及以下非車載充電機(jī)的帶載測試試驗且取得了政府授權(quán)，通過了CMA資質(zhì)認(rèn)定。移動檢測車測試結(jié)果和實驗室檢測平臺測試結(jié)果對比見表1。由表1可知，移動檢測平臺與實驗室平臺測試結(jié)果近似相等，測試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 檢測車檢測

表1 移動檢測平臺和實驗室檢測平臺結(jié)果比對

同時，為驗證充電樁運行1年后性能狀況，選擇A，B，C不同區(qū)域的充電站且運行1年的充電樁，采用移動檢測車進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與實驗室到貨檢的測試結(jié)果進(jìn)行比對，比對結(jié)果如表2所示。從表2中可知，輸出電流誤差性能指標(biāo)明顯低于到貨抽檢時的性能指標(biāo)。

表2 不同平臺時間的充電站測試結(jié)果對比

3 結(jié)語

本文介紹了一種新型的電動汽車充電樁現(xiàn)場檢測平臺：儲能式移動充電樁檢測平臺。與傳統(tǒng)移動檢測平臺相比，該平臺檢測系統(tǒng)可采用市電、交流充電樁、蓄電池系統(tǒng)3種方式供電，同時車載蓄電池系統(tǒng)可采用市電、交流充電樁、直流充電樁3種方式充電。供電方式和充電方式的多樣化設(shè)計可滿足不同場合需求，同時采用NI測試儀器集成示波器、錄波儀功能，通過LabVIEW軟件進(jìn)行定制化設(shè)計，極大提高了測試效率[16]。